DE4207010C2

DE4207010C2 - Schutzvorrichtung gegen elektrostatische Entladung in einer Halbleiter-Speicher-Vorrichtung

Info

Publication number: DE4207010C2
Application number: DE4207010A
Authority: DE
Inventors: Je-Hwan Yu
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1991-09-16
Filing date: 1992-03-05
Publication date: 1999-01-14
Anticipated expiration: 2012-03-06
Also published as: DE4207010A1; JPH05129526A; GB9207050D0; GB2259606A; GB2259606B; KR930006902A; JPH077820B2; KR940009605B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der EP 0412 561 A2 ist bereits ein derartiger Überspannungsschutz für ein Halbleiterbauteil bekannt, wobei das Halbleiterbauteil mehrere Spannungsversorgungsanschlüsse, Masseanschlüsse und Eingangs-/Ausgangsanschlüsse aufweist. Schutzelemente in Form von Transistoren sind jeweils zwischen dem Versorgungs spannungsanschluß, dem Eingangs-/Ausgangsanschluß und dem Mas seanschluß zum Schutz bei Überspannung an den Anschlüssen an gebracht. Ebensolche Transistorschutzelemente sind in EP 0 291 242 A2 beschrieben. Ein direkter Spannungsdurchgriff ist dabei mit zugehöriger Schutzfunktion in der EP 0 412 561 A2 beschrieben.

In Halbleiter-Speicher-Vorrichtungen werden eine Span nungsversorgung Vcc und ein Erdpotential (Massepotential) Vss für die elektrische Grund-Spannungsversorgung (Lei stungsversorgung) eingesetzt. Diese Spannungen der Spannungs versorgung werden über Anschlußstifte, die an dem Speicher- Chip befestigt sind, in das Innere des Mikro-Chips einge speist. Die Betriebs-Spannungsversorgung einer Halbleiter- Speichervorrichtung wird immer mehr dahingehend verbessert, daß sie bei niedrigerem Leistungsniveau arbeitet, womit einem Trend zu niedrigerer Leistung und höherer Integration gefolgt wird. Die Anschluß-Stifte für die Spannungsversorgungs-Quelle sind auf der Außenseite der Chips frei liegend angeordnet, wo durch sie dem Einfluß der äußeren statischen Elektrizität (Aufladung) ausgesetzt sind. In einem solchen Fall wird eine Über spannung als Art Rauschen in den Stromversorgungs-Stiften erzeugt, wo durch eine direkte Beeinflussung auf den internen Betrieb verursacht wird. Ein solches Phänomen wird auch als elektro statische Entladung bezeichnet. Dies ist z. B. als besondere Cha rakteristik eines komplementären Metalloxid-Halbleiter-Spei cher-Chips (C-MOS) bekannt. Um das Rauschen der Spannungs versorgungs-Quelle in dem Inneren des Chips, das durch die elektrostatische Entladung verursacht wird, unschädlich zu machen, muß ein Überstrom in dem Anschluß für die Stromversorgung, der durch die elektrostatische Entla dung verursacht wird, über äußere Ableitungen abgeleitet werden, damit er nicht in das Innere des Mikro-Chips ein dringt.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schutz vorrichtung anzugeben, mit der alle Anschluß-Stifte gegen elektrostatische Entladung in einer Halbleiter-Vorrichtung, die eine Vielzahl von Anschluß-Stiften für die Stromver sorgung verwendet, geschützt sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Zur näheren Erläuterung der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein schematisches Schalt-Diagramm ei ner Schutzvorrichtung gegen elektrostatische Ent ladung gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 eine optimierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3A eine Draufsicht auf ein Schutzelement gegen elek trostatische Entladung in einem Halbleiter-Spei cher, wie es bei der Erfindung verwendet wird,

Fig. 3B einen Querschnitt entlang der Schnittlinie A-A' des Schutzelementes gegen elektrostatische Entladung der Fig. 1A, und

Fig. 4 eine Draufsicht auf ein schematisches Schalt-Diagramm einer herkömmlichen Schutzvorrichtung gegen elek trostatische Entladung.

Die Fig. 3A und 3B zeigen verschiedene Aufbauten einer be kannten Schutz-Einrichtung gegen elektrostatische Entla dungen.

Wie die Draufsicht der Fig. 3A und der Querschnitt der Fig. 3B zeigen, werden n⁺-Diffusions-Bereiche 20, 30 jeweils in den unteren Teilen von metallischen Leitungen 21, 31 gebildet, die mit der Spannungsversorgung Vcc und dem Erdungspotential Vss über Kontakt-Bereiche 22, 32 verbunden sind. Eine metallische Versorgungsleitung 11, die mit einem Eingangs-Anschluß-Stift 1 verbunden ist, steht ebenfalls mit dem n⁺-Diffusions-Bereich 10 in seinem unteren Teil über den Kontakt-Bereich 12, und zwar in einer entsprechenden ähnlichen Art und Weise, in Verbindung. Die drei n⁺-Diffusions-Bereiche 10, 20 und 30 werden durch Oxid-Trennschichten 15, die auf einem Substrat 5 gebildet sind, voneinander getrennt. Hierbei ist ersichtlich, daß das Substrat 5 ein monolithisches Substrat sein kann, auf dem eine Halbleiter-Vorrichtung oder eine Speicher-Vorrichtung gebildet wird. Die Diffusions-Berei che 10, 20 und 30 können ebenso gut mit n⁻-Leitfähigkeit gebildet werden. Die n⁺-Diffusions-Be reiche 10, 20 und 30 sind solche, die es ermöglichen, daß ein einer Überspannung entsprechender Durchbruchs-(Entladungs-)Strom dadurch abfließt, daß das Phänomen des Spannungsdurchgriffes ausgenutzt wird, wenn der Durchbruchsstrom in die entsprechenden Anschluß-Stifte fließt. Zum Beispiel fließt der Durchbruchsstrom, falls eine elektrostatische Aufladung in den Anschlüssen für die Stromversorgung hervorgerufen wird, über den n⁺-Diffusions-Bereich 20 unter dem metallischen Verteilungsdraht(-leiter) 21 und über den n⁺-Diffusions-Bereich 30 unter dem metallischen Verteilungsdraht(-leiter) des Anschlusses Vcc für die Spannungsversorgung. Dies bedeutet, daß das Durchbruchs-Phänomen (punch through) zwischen den Diffusions-Bereichen ausgenutzt wird.

Ein solches herkömmliches Beispiel, bei dem das Schutzelement gegen die elektrostatische Entladung verwendet wird, ist also in den Fig. 3A und 3B gezeigt, wobei es in einem Speicher-Chip eingesetzt wird, wie er in Fig. 4 gezeigt ist.

Hier wird der Aufbau einer solchen Spannungsversorgung gezeigt, bei der die Spannung jedem Schutzelement gegen elektrostatische Entla dung mit Eingangs/Ausgangs-Stiften in einem 64K×16 dyna mischen Arbeits-Speicher (DRAM) zuge führt wird. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, sind drei Anschlüsse für die Spannungsversorgung Vcc1, Vcc2, Vcc3, drei Erdungs- Anschlüsse Vss1, Vss2, Vss3 und vier Eingangs/Ausgangs-An schlüsse P1, P2, P3, P4 vorgesehen. Die Schutzelemente 200a, 200b, 200c, 200d gegen die elektrostatische Entladung sind mit jedem Eingangs/Ausgangs-Anschluß in ei ner Art und Weise verbunden, wie dies in den Fig. 3A und 3B dargestellt ist. Das erste Schutzelement 200a gegen elektrostatische Entladung, das mit dem ersten Eingangs/Aus gangs-Anschluß-Stift P1 verbunden ist, ist nur mit dem ers ten Anschluß-Stift der Stromversorgung Vcc1 und dem ersten Stift Vss1 für die Erdung verbunden. Der zweite Erdungs-An schluß-Stift Vss2 und der dritte Anschluß-Stift Vcc3 für die Spannungsversorgung sind mit dem zweiten Schutzelement 200b gegen elektrostatische Entladung verbunden, das seinerseits mit dem zweiten Eingangs/Ausgangs-Anschluß-Stift P2 verbun den ist. Das zweite Schutzelement 200b gegen die elektro statische Entladung ist mit dem dritten Schutzelement 200c gegen elektrostatische Entladung verbunden. Der dritte An schluß-Stift Vss3 für die Erdung und das vierte Schutzele ment 200d gegen elektrostatische Entladung sind mit dem dritten Schutzelement 200c gegen elektrostatische Entladung verbunden, das seinerseits mit dem dritten Eingangs/Aus gangs-Anschluß-Stift P3 verbunden ist. Der zweite Anschluß- Stift Vcc2 für die Stromversorgung ist mit dem vierten Schutzelement 200d gegen elektrostatische Entladung verbun den, das seinerseits mit dem vierten Eingangs/Ausgangs-An schluß-Stift P4 verbunden ist. Hierbei ist vorteilhaft, daß die Schutzelemente gegen elektrostatische Entladung mit den Anschluß-Stiften für die Stromversorgung und die Erdung ver bunden sind, wie dies in den Fig. 3A und 3B dargestellt ist.

In einem solchen Aufbau nach dem Stand der Technik können der erste Anschluß-Stift Vcc1 für die Stromversorgung und der erste Anschlußstift Vcc1 für die Erdung gegen elektro statische Entladung mittels dem ersten Schutzelement 200a gegen eine elektrostatische Entladung geschützt werden, allerdings können andere Anschluß-Stifte, wie beispielsweise der zweite Anschluß-Stift Vcc2 für die Stromversorgung und der zweite Anschluß-Stift Vss2 für die Erdung, und der drit te Anschluß-Stift Vcc3 für die Stromversorgung und der drit te Anschluß-Stift Vss3 für die Erdung nicht hiergegen ge schützt werden, da keine Durchbruchspfade vorhanden sind. Weiterhin kann das zweite Schutzelement 200b gegen elektro statische Entladung den zweiten Anschluß-Stift Vss2 für die Erdung und den dritten Anschluß-Stift Vcc3 für die Stromver sorgung gegen elektrostatische Entladung schützen, aller dings ist es nicht dazu geeignet, den ersten Anschluß-Stift Vss1 für die Stromversorgung, den ersten Anschluß-Stift Vcc1 für die Stromversorgung, den zweiten Anschluß-Stift Vcc2 für die Stromversorgung, den dritten Anschluß-Stift Vss3 für die Erdung und den dritten Anschluß-Stift Vcc3 für die Stromver sorgung dagegen zu schützen. Dementsprechend kann das dritte Schutzelement 200c gegen elektrostatische Entladung den dritten Anschluß-Stift Vss3 für die Erdung und den dritten Anschluß-Stift Vcc3 für die Spannungsversorgung schützen, allerdings ist es nicht dazu geeignet, andere Anschluß-Stif te für die Stromversorgung zu schützen. Das vierte Schutz element 200d gegen elektrostatische Entladung kann nur den zweiten Anschluß-Stift Vcc2 für die Stromversorgung und den dritten Anschluß-Stift Vss3 für die Erdung schützen. In dem Fall, in dem verschiedene Anschluß-Stifte für die Stromver sorgung in einem hochintegrierten Schaltkreis verwendet wer den, kann das sogenannte Streß-Phänomen (Durchbruchs-Phä nomen) durch eine elektrostatische Entladung über alle An schluß-Stifte hervorgerufen werden. Falls ein solcher Durch schlag an irgendeinem Anschluß-Stift verursacht wird, muß dieser geschützt werden. Ich einem herkömmlichen Aufbau, wie er in Fig. 4 gezeigt ist, ist es jedoch unmöglich, alle Anschluß- Stifte für die Stromversorgung gegen eine elektrostatische Entladung zu schützen.

Ein Beispiel der Erfindung wird nun anhand der Fig. 1 erläutert.

Aus Gründen der Vereinfachung werden solche Komponenten, die nichts mit dem Schutz gegen elektrostatische Entladung in dem Speicher-Chip 400 zu tun haben, im Rahmen der Fig. 1 nicht dargestellt. Sämtliche Anschluß-Stifte für die Strom versorgung und die Erdung Vcc1, Vcc2, Vcc3, Vss1, Vss2, Vss3 und die Schutzelemente gegen elektrostatische Entladung 200e, 200f, 200g, 200h sind miteinander verbunden. Der erste bis dritte Anschluß-Stift für die Stromversorgung Vcc1, Vcc2, Vcc3 sind gemeinsam mit dem n⁺-Diffusions-Bereich (Be zugszeichen 30 in Fig. 3B) von ersten bis vierten Schutzele menten gegen elektrostatische Entladung 200e, 200f, 200g, 200h über den metallischen Versorgungsleiter 31 für die Spannungsversorgung verbunden. Der erste bis dritte An schluß-Stift für die Erdung Vss1, Vss2, Vss3 sind gemeinsam mit dem n⁺-Diffusions-Bereich (Bezugszeichen 20 in Fig. 3B) von ersten bis vierten Schutzelementen gegen elektrosta tische Entladung 200e, 200f, 200g, 200h über den me tallischen Versorgungsleiter 21 für das Erdungspotential verbunden. Demzufolge kann ein Durchschlagspfad zwischen allen Stromversorgungs-Stiften und allen Schutzelementen ge gen elektrostatische Entladung innerhalb des Mikro-Chip 400 gebildet werden. Deshalb kann in dem Fall, in dem eine Durchschlagsspannung an einem der Stromversor gungs-Stifte oder an allen Stiften auftritt, eine Schutz funktion gegen elektrostatische Entladung erreicht werden. Hierbei macht es keinen Unterschied, wenn weitere Anschluß- Stifte für die Stromversorgung vorgesehen werden.

Die Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform entsprechend Fig. 1. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen werden in Verbindung mit ei nem 16 Mega DRAM durchgeführt. Die 20 Schutzelemente 201, 202, . . ., 220 gegen elektrostatische Entladung, die mit Eingangs/Ausgangs-Anschluß-Stiften (-Fahnen) in einer Form, wie sie in Fig. 3A gezeigt ist, verbunden sind, sind gemein sam mit Anschluß-Stiften für die Stromversorgung und die Er dung Vcc1, Vcc2, Vss1, Vss2, verbunden. Demzufolge kann, falls eine Durchschlagsspannung an irgendeinem der An schluß-Stifte für die Stromversorgung, an mehreren oder an allen Anschluß-Stiften für die Stromversorgung, auftritt, eine Schutz-Funktion gegen elektrostatische Entladung er reicht werden, unabhängig von der jeweiligen Position. Ob wohl anhand der Fig. 2 eine Ausführungsform beschrieben ist, in der vier Anschluß-Stifte für die Stromversorgung vorgesehen sind, können prinzipiell Anschluß-Stifte für die Stromversorgung entsprechend der vorliegenden Erfindung unabhängig von ihrer Anzahl vorgesehen werden. Jedoch muß für diesen Fall die Dicke der Stromversorgungsleiter, die mit den Schutzelementen gegen elektrostatische Entladung verbunden sind, optimal dimensioniert werden, um die Beeinflussung, die durch Störungen bzw. Rauschen der Stromversorgung verursacht sind, zu minimieren, falls die Schutzelemente für die elektrostatische Entladung und die Anschluß-Stifte für die Stromversorgung miteinander verbun den sind.

Claims

1. Schutzvorrichtung gegen elektrostatische Entladung in ei ner Halbleiter-Speicher-Vorrichtung,

- mit mehreren Eingangs-/Ausgangs-Anschlußstiften für die Stromversorgung,
- mit mehreren Eingangs-/Ausgangs-Anschlußstiften für das Erdungspotential,
- mit mehreren ersten dotierten Diffusionsbereichen, die auf einem Halbleiter-Substrat gebildet sind und mit Eingangs-/Aus gangs-Anschlußstiften in Kontakt stehen,
- mit mehreren zweiten dotierten Diffusionsbereichen, die auf dem Halbleiter-Substrat gebildet sind und mit An schlußstiften für die Stromversorgung in Kontakt stehen, wobei die zweiten dotierten Diffusionsbereiche in einem Abstand zu den ersten Diffusionsbereichen liegen,
- mit mehreren dritten dotierten Diffusionsbereichen, die auf dem Halbleiter-Substrat gebildet sind und mit An schlußstiften für die Erdung in Kontakt stehen, wobei die dritten dotierten Diffusionsbereiche beabstandet zu den ersten und zweiten dotierten Diffusionsbereichen angeord net sind,

dadurch gekennzeichnet,
daß die Anschlußstifte (V_cc) für die Stromversorgung mitein ander über einen ersten metallischen Leiter (31) mit den zweiten dotierten Diffusionsbereichen (30) verbunden sind und
daß die Anschlußstifte für die Erdung (V_ss) miteinander über einen zweiten metallischen Leiter (21) mit den dritten do tierten Diffusionsbereichen (20) verbunden sind,
wobei die Anschlußstifte (V_cc) für die Stromversorgung di rekt mit dem ersten metallischen Leiter (31) verbunden sind, die Anschlußstifte (V_ss) für die Erdung direkt mit dem zwei ten metallischen Leiter (21) verbunden sind und die dotier ten Diffusionsbereiche (10, 20, 30) bei elektrostatischer Aufladung der Anschlußstifte eine Schutzfunktion durch di rekten Spannungsdurchgriff bewirken.

2. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten bis dritten dotierten Diffusions-Bereiche (10, 20, 30) von einem Typ derselben Leitfähigkeit sind.

3. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die ersten datierten Diffusions-Bereiche (10) vom Typ einer zweiten Leitfähigkeit sind und das Halbleiter-Substrat (5) vom Typ einer ersten Leitfähigkeit;
daß die zweiten dotierten Diffusions-Bereiche (30) vom Typ der zweiten Leitfähigkeit,
die dritten datierten Diffusions-Bereiche (20) von Typ der zweiten Leitfähigkeit sind, und daß
eine Vielzahl von Feld-Oxid-Schichten (15), auf dem Halbleiter-Substrat (5) gebildet sind, um die ersten bis dritten dotierten Diffusions-Schichten gegeneinander zu isolieren.

4. Schutzvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die ersten dotierten Diffusions-Bereiche (10) mit den Eingangs/Ausgangs-Anschluß-Stiften über me tallische Teile in Kontakt stehen.

5. Schutzvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die zweiten dotierten Diffusions-Bereiche (30) mit den Anschluß-Stiften für die Stromversorgung (V_cc) über metallische Teile in Kontakt stehen.

6. Schutzvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die dritten dotierten Diffusions-Bereiche (20) mit den Anschluß-Stiften (V_ss) für das Erdungspoten tial über metallische Teile in Kontakt stehen.

7. Schutzvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die ersten, zweiten und dritten dotierten Diffusions-Bereiche (10, 20, 30) jeweils innerhalb des Typs der zweiten Leitfähigkeit gebildet sind.